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基于PLC的管道流量、压力解耦控制系统设计目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1课题研究背景11.2解耦控制的发展现状及其分类11.2.1解耦控制的研究现状11.2.2解耦控制分类21.3可编程逻辑控制器（PLC）的简介及发展状况21.3.1PLC的特点及应用领域31.3.2PLC的发展状况31.4课题研究内容及论文构成42基于PLC解耦控制系统的实验设备装置52.1A3000型过程控制实验装置简介52.2管道流量、压力解耦控制的相关装置62.3组态王6.5软件82.4解耦控制系统分析93解耦控制系统设计113.1解耦控制113.2管道流量、压力的解耦控制器设计113.2.1解耦器设计113.2.2PID控制器设计164程序及组态设计184.1S7-300的简单介绍184.2程序设计194.3组态设计234.3.1组态王控制器的设备组态234.3.2组态王定义数据变量264.3.3建立新画面274.4小结285操作调试过程及结果分析295.1操作调试过程295.2结果及分析295.2.1调试过程及调试结果295.2.1数据分析366结论与展望38致谢39参考文献40 II摘要管道中的压力和流量的控制是一个彼此耦合的系统。耦合指的是一种被控制变量和控制变量之间互相作用的结果，其表现是当一个控制量发生变化，其余的几个被控变量也会相应的发生变化，所以想要消除这种系统之间耦合，使各系统独立、互不相关；因此采用解耦矩阵进行解耦，并使用可编程逻辑控制器（PLC）来完成。可编程逻辑控制器（PLC）作为一种能够进行数字运算操作的电子计算机，主要是在为工业环境之下应用而设计产生的。它采取的是可编程存储器，用来在PLC内部存储执行顺序运算、计时、逻辑运算、运动控制、算术运算和计数等操作指令，而且能够通过数字量或模拟量进行输入、输出，来达到控制各类生产过程或机械运动的要求。这篇文章经过讨论管道流量、压力的解耦控制系统的选择与说明，阐述可编程逻辑控制器（PLC）在控制系统当中的运用，采用西门子PLC编程的程序进行控制，提出管道压力、流量控制系统的总体设计方案、设计过程以及设计组成，列出具体的主要电路、管道压力、流量解耦控制的梯形图、变量表以及指令表。并画出整个控制系统的系统组成框图和解耦控制流程图。通过分析和处理系统中各个信号的逻辑关系，提出PLC编程的方法，设计出一套完整的流量、压力解耦控制系统方案。 采用本方案设计的控制系统，可使整个系统中各个系统之间的耦合程度达到最小，甚至消除系统中的耦合，使被控制变量与控制变量之间的相互作用干扰最小化。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；流量、压力控制；解耦控制ABSTRACTOf the pipeline flow, pressure control system are mutually coupled system. Coupling is a kind of control variables and the mutual influence between the controlled variables, a control variable change caused a few controlled variable transformation phenomenon at the same time, so want to eliminate the coupling between systems, make each system independent, unrelated; So the decoupling matrix decouple, and uses the programmable logic controller (PLC) to complete.Programmable logic controller (PLC) is a kind of specially designed for application in industrial environment and digital computing operation of electronic computers. It uses a programmable memory, used in the PLC internal storage execution order operation, timing, logic operation, motion control, counting and arithmetic operation instructions, and through the digital or analog input and output, control various types of production process or mechanical movement.In this paper, by discussing the pipe pressure, flow rate of decoupling control system for the selection and introduction, expounded the programmable logic controller (PLC) in the control system, the application of the application of Siemens PLC programming control, put forward the line pressure, flow control system of the overall design scheme, design process and design, list the main circuit, pipes, pressure, flow rate of decoupling control ladder diagram, variables, and instruction sheet. And draw the flow chart of the system composition block diagram of control system and decoupling control. By analyzing and processing system of each signal logic relation, puts forward PLC programming methods, design a set of complete flow, pressure decoupling control system solutions. Adopts the design of control system, can make the whole system to minimize the coupling degree between various systems, or even eliminate the system coupling, the control variables and the mutual influence between the controlled variables to a minimum.Key words:programmable logic controller (PLC);Flow, pressure control;Decoupling control基于PLC的管道流量、压力解耦控制系统设计1绪论1.1课题研究背景耦合是现代工业生产过程系统中广泛存在的一种现象。而生产过程系统大多数又是多输入多输出的系统，这种系统内部具有复杂的结构，各个分系统之间环环相扣，各个变量之间关系错综繁杂，一个控制变量的改变往往会引起其他多个变量的变化，每个输出量往往会受到多个输入信号的控制。而对于这种普遍存在的耦合现象，工业上的过程控制要求使系统既要具有较好的调节能力又能够平稳安全的运行，能够在尽可能小的误差范围之内来跟踪设定值（sp值）的变化。为了能够使控制系统达到最高质量的控制指标，我们就得设计一个解耦器，构成解耦控制系统。如下图是双变量的耦合对象方框图，U1一旦产生变化改就会对Y1、Y2两个变量同时造成不同程度的影响，相同情况下，U2发生变化对Y1和Y2两个变量也会造成影响。这种控制变量与被控变量在调整过程中产生的相互影响的对象称为耦合对象，解耦就指的是接触这种耦合联系的一个过程。 图1-1 两变量耦合框图1.2解耦控制的发展现状及其分类1.2.1解耦控制的研究现状控制思想中早期成果之一便是解耦控制，它的设计观点和控制办法基本上是相同时间出现的,解耦控制理论起初的提出想法是互不干涉控制准则。Roksenbom和Hoodllol提出了这个准则，他们一开始运用在多变量控制系统分析中的是矩阵分析法，剖析了跟飞行器控制相关的一些问题，就是怎样经过分别控制推进器叶片的角度和其燃料来控制飞行器发动机的功率和速度，而且能够让这两个控制系统之间互相不会产生影响。1964年Morgan经过研究现代控制理论，提出了相关MIMO线性系统的输入输出解耦瓶颈以及无交互系统的设计困惑，因此之后解耦控制在现代工业生产过程中被越来越广泛的应用。在多变量控制的不断研究和实际检验中，科学家们纷纷提出了解耦控制这一思想，就是怎么经过外部控制方法将多变量系统进行解耦，使其转换成好几个彼此毫不相干的单输入单输出系统，进而能够利用单变量控制的不同种类的老练手段来进行整个系统的设计。当前研讨比较多的是有关线性多变量离散系统和有关比较独特的一类非线性多变量离散系统的若干解耦控制策略，并且大多数的解耦控制只考虑如何实现静态解耦，因为离散非线性系统的线性化解耦思想并不成熟，所以在比较普通的非线性离散系统的线性化解耦方面的研究只是很少的一部分。还有就是因为连续系统和离散系统之间体现的不同之处，所以把解耦控制范畴中的一部分研讨结果和连续系统线性化分析实行到离散系统中是比较复杂的。为了能够使神经网络线性化和解耦控制容易的实现，我们就得利用神经网络的本身结构以及连续非线性系统解耦理论和离散非线性系统解耦理论。并且神经网络可以解决部分不明确或完全不明确模型的非线性系统，可以让逆系统线性化和解耦控制走向工程应用的舞台。1.2.2解耦控制分类工业过程控制多变量系统的解耦控制基本上可以分成如下四类：（1）、传统的解耦控制（即经典解耦控制）；（2）、自适应解耦控制；（3）、智能解耦控制（即线性化解耦控制方法）；（4）、模糊解耦控制。1.3可编程逻辑控制器（PLC）的简介及发展状况PLC，作为一种数字运算操作的电子装置，主要是为了在工业环境下运用而设计产生的。PLC运用能够编写程序的储存器，关键是在于其内部储存完成顺序、逻辑运算和算术运算以及计时、计数等操作的指令，而且能够通过数字量和模拟量的输入、输出，来达到控制各类现场生产过程和机械运动的目的。1.3.1PLC的特点及应用领域PLC的特点有如下几个方面：（1）、安全可靠性高，具备的抗干扰能力强大。电气控制装置的主要关键性能就是高可靠性。因为其里边连接电路采用了优秀的抗干扰技术，并且应用的是现代大规模的集成电路技术，具备严密的生产工艺制造办法，所以其可靠性超高。（2）、具有完整的配套和完善的功能以及广泛的适用性。PLC从产生运用至现在，已然具备了各类规格大小的系列化产品。能够适用于各种工业控制场所。(3)、接口简单，维护相对比较便利。PLC的接口是按照工业控制的要求设计的，带负载能力比较强大（比如：其电源模块可直接与AC 220V强电相连），其模块化的电路接口使维修和更换更加方便。（4）、体积小、能耗小并且性价比高。（5）、编程简单、上手容易。（6）、具有较短的设计、调试周期。因为PLC靠内部软件达到控制要求，硬件电路简单明了，其构造更是模块化积木式的，且已商品化，因此只需要按照其性能、数模量的输入输出个数以及内部存储器的大小等进行选择并安装。而且大部分的详细程序编写任务也在PLC到货前进行，所以大大的减少了设计周期，使设计和施工能够同时进行。PLC在工业生产过程中具有宽广的运用场合，其在国内和国外已经广泛运用在电力、机械制造、化学工艺、石油开采、建材、钢铁冶炼、汽车制造、交通运输、环保、轻纺以及文化娱乐等等的各方面的行业。它可以实现各种开关量的逻辑控制，取缔了落后的继电器控制电路，从而实现顺序控制和逻辑控制以及自动化生产流水线，如：包装流水线、电镀流水线、各类机床、印刷机和机械订书等等；PLC还广泛的应用于工业生产过程的控制当中，针对一些模拟量，如:水箱液位、温度和管道流量、压力等连续变化的量采用数/模（A/D）和模/数(D/A)转换模块以及PID、解耦矩阵等不同种类的控制算法程序进行对模拟量的处理，以实现闭环控制系统的设计，这些控制主要运用在化学工艺、钢铁冶炼、热处理以及锅炉等含有大量模拟量的场所；还能够应用于运动控制（电梯、机械机床、机器人等）、数学运算（逻辑运算、矩阵运算等）、数据传送、排序和数据装换等位操作，并且还可以应用在通信和联网等领域。1.3.2PLC的发展状况随着20世纪70年代初期微处理器的出现，使得PLC功能也日益强大起来，人们将微处理器引进可编程逻辑控制器使其具有了数据传送和处理、数据运算等功能，实现了具备计算机特色的工业控制自动化装置，它是结合微型计算机技术和各类继电器控制为一体的并命名其为Programmable Logic Controller（PLC）.随着社会的发展，可编程逻辑控制器在计算机技术全方面引进的情况下进入了实用化发展阶段，使其功能更加强大，运算速率、抗干扰能力等越来越优越。到了20世纪80年代，随着各个国家PLC的产量大幅度上升，PLC广泛的应用在先进发展的工业国家中。20世纪90年代，PLC在解决网络能力、模拟量能力以及人机接口方面拥有了重大的成就，因此逐步迈入了工业生产过程控制领域从而取代了传统的DCS系统。20世纪末21世纪初期，可编程逻辑控制器在现代化发展的需求下，出现了大型机和超小型机，拥有了各类功能单元，如：人机界面、通信模块等。随着社会的发展，PLC在未来会有着更好的发展前途，逐步由系统标准化和开放化、规模大型化和小型化以及功能专业化和增强化方向努力发展，使的PLC在未来社会占有更大更广的应用领域。1.4课题研究内容及论文构成 本课题以A3000高级过程控制实验系统作为研究装置，以其中的水管管道的流量和压力作为被控对象，变频器和调节阀是控制量，采用对角矩阵法进行的解耦控制算法对此类过程对象进行研究，并重点研究利用西门子PLC编程来实现解耦控制策略的方法，将其运用到实验对象中已达到满意的控制效果。文章的主要内容和工作包括以下部分：1、介绍A3000高级过程控制实验系统的结构功能，重点描述了管道的流量、压力解耦控制系统的系统组成。同时简单介绍西门子PLC的体系结构、特点以及发展状况；2、针对管道的流量、压力作为被控对象，研究了解解耦控制办法，分析解耦控制的起源、背景以及它的使用状况；3、通过PLCSIM、Wincc或组态王工具使用对角矩阵解耦控制方法对被控对象进行仿真，验证这种办法的解耦能力，以达到控制要求；4、简单介绍STEP7编程软件，以西门子PLC为控制器，利用STEP7对指定对象进行解耦控制算法的编程实现，并对控制效果进行监控；5、通过大量的实验来验证实际的控制效果，对解耦控制的结果进行分析，验证对角矩阵解耦控制的可靠性。2基于PLC解耦控制系统的实验设备装置文章中解耦控制的被控对象是由北京华晟高科教学仪器有限公司提供的A3000高级过程控制实验设备，使用西门子PLC作为控制器，西门子的SIMATIC STEP7软件和组态王软件作为平台。经过测试装置中管道的流量和压力相互耦合特性分析，对其完成解耦，实现被控制系统的稳定和平衡。2.1A3000型过程控制实验装置简介A3000高级过程控制系统主要包括以下三个系统，分别是CS过程控制系统、FBS总线型、FS常规型现场系统。其系统的耗损达到的预期标准是三相四线电源即交流380V，额定的最大功率是8KW,单相交流电220V以及150升自来水。A3000的特点：（1）、合成供电体系、移相调压器、供电体系和现场继电器，其现场系统为他们提供一切驱动电力，它的一切实验功能都是通过规范的接线端子进行接收标准信号目的是来完成控制系统与现场系统独立的模块化设计。（2）、A3000的侧面有工业规范接线端子盒，其中的标准信号接口对用户选定的DCS系统、DDC系统、PLC系统与现场系统的接线提供了便利的条件。（3）、它的这种设计结构保障了控制线与动力线之间不会产生电磁干扰。（4）、系统设计具有更大的扩展性、更安全、更加模块化。图2-1-(a) A3000现场系统结构图图2-1-(b) A3000高级过程控制实验装置实物图2.2管道流量、压力解耦控制的相关装置（1）、电动调节阀电动调节阀的作用主要是在控制回路中完成对流量的调节作用。能够智能电动调节，其优点有以下几个方面：采用先进的技术、重量和体积都很小、具有较高的精度、作用范围广泛、具有较高的可靠性、集电动执行机构与控制单元为一体。能够与电脑配合运用，构成最好的调节回路。执行单元能够直接给与4-20mADC或1-5V的控制信号，阀位信号的输出是直流4-20mA，方便运用和校正。电磁阀利用柔性弹簧对阀门进行衔接，为了避免电磁阀泄露，一定要预置阀门关断能力，确保阀门已关断。技术指标：电源： 220VAC 50HZ 功耗： 5VA输入信号：4-20mADC 输入阻抗：100欧姆输出信号：4-20mADC环境温度：-20-+70 重复精度：1%（2）、变频器采用西门子440系列变频器。在本课题中的作用是对流量进行控制调节。在本课题中，变频器参数的调试方法如下：由于本课题中变频器有模拟量的输入输出，因此需要调试的参数有：参数复位P0010=30、P0970=1进行重置；P0003=2；P0010=1；使用的是欧洲地区的变频器所以P0100=0；水泵额定电压是220V，额定电流是1.2A，额定功率是260W，P0304=220，P0305=1.2，P0307=0.26；额定频率50Hz，P0310=50；额定转速2800r/min，P0311=2800；P0335=0自冷却；P0640=150，这是过载因子；端子排输入P0700=2；模拟设定值P1000=2；最小频率P1080=0；最大频率P1082=50；P1120=10；1121=10；P1135=5；由于水泵是抛物线v/f控制，P1300=2；P3900=0；死区电压设置：P3900=1、P0761=2.00。下图是变频器与外围装置和负载的标准接线：图2-2 变频器与外围装置的连接（3）、涡轮流量计涡轮流量计的工作原理是通过多叶片的转子（涡轮）感受水平均流速来完成的。由显示仪和传感器组成并且广泛应用于天然气、液化气、石油、煤气等。其特点是重复性好、精确度高、可输出脉冲频率信号、信号分辨能力强、范围度较宽、结构紧凑轻巧并且适用于高压测量。（4）、压力变送器压力变送器的原理是敏感芯体在受到压力的作用下产生电阻的变化，然后电阻的变化再通过放大电路转换成标准信号输出。其特点是体积小巧、精度较高、有较好的稳定性，温度的漂移可以通过补偿电路减小到很小的程度。2.3组态王6.5软件跟着工业自动化水平逐步急速提高，针对工业自动化的发展，人们要实现的控制要求也随之提高，各种各样的过程监控装置和控制设备在工业领域中应用，组态王工控软件逐渐成为近几年以来最受人们喜欢的上层组态软件之一，由于其在使用是简单方便、出售价格较低等优势，从而在多个工业控制项目中获得使用。比起以前利用的专用机开发出来的工业控制系统，组态王利用PC机开发的控制系统更具有普遍性，多方面的减少工业控制软件开发者的工作量。组态王的特点大概有以下几个方面：（1）、工程管理功能：“工程管理器”的主要功能是为使用者集合处理本机上的一切项目工程。管理器功能包括新建工程、删除工程、对工程重命名、修改工程属性、备份和恢复工程等等。（2）、画面制作及换面显示系统：在Windows境况下，尽可能的运用其图形功能使的界面华丽和完整，绘制出这种工业画面，经过“可视化动画连接向导”进行可视化图形操作，完成模拟的工业控制现场。（3）、报警和事件系统：有报警分组管理、基于事故的报警、报警过滤、报警优先级、延时观点以及新增死区和远程网络管理报警等功能。（4）、控件：支持Windows规范的Active X控件，囊括了微软给与的基准的Active X控件和使用着自己改装的Active X控件，Active X控件没有必要在组态王中做大量的工作，它能够调用一个已经存在的规范控件来完成繁琐任务。因此，对于用户来说是非常方便的。（5）、报表系统：组态王供给的集成内嵌式报表系统，其里面有大量的各种报表函数，所以用户创建的报表也是比较多样化的。报表系统能够在打印时进行预览和页面设置并能够进行组态。（6）、OPC:组态王6.5一方面能够作为OPC客户端，另一方面还能作为OPC服务器，用户可以使用OPC接口进行组态王变量的访问。（7）、通讯系统：远程设备之间的通信是通过远程拨号实现的;可以不间断的判断通信质量和数据采集时间；可以完成网络DDE，实行组态王与各类软件之间经过网络的数据交换。2.4解耦控制系统分析管道中压力、流量控制系统是一个典型的互相耦合的系统。电动调节阀和变频器都会对管道的压力和流量酿成不同程度的干扰，所以，在压力比较偏大的情况下，我们将调节阀的开度增大时，流量会随之加大，如果这个时候经过流量控制器作用而减小变频器，又会导致管道中的压力下降，电动调节阀和变频器互相干涉、影响，所以是一个典型的相关联系统。因为系统变频器调节支路流量，调节阀调节支路流量，两个支路并联才能够实现解耦控制实验，并联之后可以选择使用支路的流量计来测量流量。管道的流量、压力解耦控制流程图如下所示：图2-4 管道的流量、压力解耦控制流程图下表是管道流量、压力解耦控制的各个测点的清单：序号 代号设备名称功能 信号类型工程量 1FT-102涡轮流量计给水流量4-20mADC0-3m3/h2PT-101压力变送器给水压力4-20mADC150kpa3FV-101电动调节阀阀位控制2-10VDC0-100%4 U-101变频器频率控制2-10VDC0-100%表2-4 管道流量、压力解耦控制的各个测点清单说明水经过由变频器U-101驱动的水泵P101从而由水箱V104中加压获得压头，经过用于两个支路连接的阀门QV-103、流量计FT-101、压力传感器PT101、电动调节阀FV-101、水箱V103以及阀门QV-116回流到水箱V104中从而形成水循环，水箱只作为一个连通器；其中，压力变送器主要是用于测得给水压力，涡轮流量计主要测的是给水流量。在本课题研究的解耦控制系统中，被控变量压力的操纵变量的是调节阀FV-101，被控变量流量的操纵变量是变频器U-101，我们可以经过解耦器函数的解耦计算两条支路各自的调节器输出，然后进行分别去控制各自调节回路的操纵变量。3解耦控制系统设计3.1解耦控制解耦控制系统就是为了肃清系统中各个控制回路之间相互耦合作用，我们需要寻找一些适当的控制规律并且采用某一种系统结构，使得每一个输入只控制自己相对应的一个输出，每一个输出只受到一个控制的作用，即完成一对一。解耦控制系统框图如下：Y1R1G11Gc1U1G21R2G12Y2U2G22Gc2图3-1 解耦控制系统框图如上图所示，G12和G21不为零时有耦合；G12=G21=0时无耦合；G12或G21为零时为半耦合。3.2管道流量、压力的解耦控制器设计3.2.1解耦器设计(1)、控制结构管道中压力、流量控制系统是一个彼此耦合的系统。电动调节阀和变频器都会对系统的压力和流量造成不同程度的干扰，所以，在压力比较偏大的情况下，我们将调节阀开度放大的时候，流量会随之增大，如果这个时候变频器因为在流量控制器的作用下而变小，又会导致管道中的压力减小。因此，电动调节阀和变频器相互干扰是一个典型的相关联系统。系统的关联系数值与流量和压力有关，与其他任何参数都没有关系。如下图所示：图3-2-1-（1）管道流量、压力解耦控制（2）、变频器调节变频器工作频率调节特性如下图所示：流量变频器工作频率30Hz变频器工作频率40Hz变频器工作频率50Hz0p0压力 图3-2-1-（2）A变频器工作频率调节特性如果把变频器换成电动调节阀，调节阀前端是水泵的情况下，其特性如下图所示： 前端调节阀工作开度100% 前端调节阀工作开度75% 前端调节阀工作开度60%图3-2-1-（2）B 调节阀工作开度调节特性这是水泵的硬特性导致的结果，不符合典型的管道压力耦合特性。因为前端调节阀不是线性的，整个系统很难得到切确的数学原型。只能针对小范围变化，静态条件下解耦，其解耦效果并不好，但是采用变频器后系统的数学模型很容易得到。（3）、p0、p1、p2的测量p0的测量。把变频器调节输出50Hz，关闭阀门JV201，关闭各出水口阀门，测量压力值p0，p0=80%。p1系统压力测量值。p2是电动调节阀的出口压力，理论上应该为0，但是对象在调节阀还有向上的管路，因此必须测量p2的值。测量时，打开调节阀到某一开度，变频器输出为某一值，管路有水流到下水箱，同时关闭变频器和阀门JV104，使垂直管道里的水不回流，此时测量出来的值便是p2。（4）、方案被调量是变频器和调节阀开度，管道压力和流量作为控制目标。若采用两个互不想干的调解器进行控制，很难让系统维持平衡状态，但是可以与解耦后的效果进行比较。其中，是与变频器输出度和介质密度有关的参数，是与调节阀输出和介质密度有关的参数，h代表流量的被控量。针对调节阀来说，流量和压力有这样的关系： h=(-)= (-) （3-1） 有 h=(/+)(-) (3-2)在两个回路都处在开环状态下，被调量h对的增益为：|= (3-3)在两个回路都处在闭环的状态下，h对的偏导数，就是第二放大系数为：|=-=（） （3-4）根据相对增益的定义有：= (3-5)从公式3.2.1-1中求解得出和，带入以上几个式子，增依旧能够用压力来表示，即： = (3-6)相同的方法可以解出对于压差h通道的相对增益为：= （3-7）如果改用来描述压力流量系统，则：=-=+= （3-8）就可以判断出另一增益，对上面公式进行偏导数的求解，就可以分别推出和对的两个通道的相对增益。最后流量-压力系统的相对增益矩阵就为： A= （3-9）相对增益矩阵为：= （3-10）将稳定在一个较小的范围内，因为这个设计实验只与流量和压力有关，与其它参数无关，因此这个过程只是与压力和开度有关系，是时不变。有=80%水柱，=5%水柱。假设是未知数，就能够列出一个方程。解耦算法就可以采用对角矩阵法。= （3-11） （5）、解耦算法如下图所示的是解耦控制系统框图：图3-2-1-（5）解耦控制系统框图在本课题中，起反作用的是流量-变频器调节器Gc1；起正作用的是压力-调节阀调节器Gc2。关于对象，被调量和调节量之间的关系是这样的：y=P，在课题中用变量符号代替：= （3-12）如果将控制系统添加进去，那么解耦器提供调节量。如PID调节器等的输出就是解耦器的输入。 = (3-13)采纳了解耦器后的系统的传递函数为： = （3-14）根据以上三个公式关系，假设G矩阵还存在逆矩阵的话，那么，我们就能够认为G矩阵的逆矩阵乘以对角矩阵等于D，其中，对角矩阵可以是一个单位对角矩阵。这样的话，就能够让一个被调量仅仅只与一个调节器输出产生有关系，而不会影响其他量，与另一个独立。所以能达到解耦的目的。依据调试参数测量得到数据=80，=5，把设为未知数x。实际数=150kPa*80%水柱，=150kPa*5%水柱。那么增益矩阵就为： （3-15） 解耦矩阵为： (3-16)我们应该观察到流量和压力之间的关系是限制联系。简明扼要的来说，把变频器的值设为35Hz，调节阀的开度开到50%的时候，此时的流量和压力将作为系统达到平衡状态时的给定值，然后在这个值周围上下浮动，为了使系统达到平衡其变化不能太明显。影响矩阵不同的因素主要是水泵的特性发生了改变和量程范围不同。为了统一，设置如下矩阵： (3-17)3.2.2PID控制器设计PID控制作为现代工业过程控制的一种控制规律，其在工业4.0上应用领域是非常广泛的。它表示比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Differential）控制。PID控制的工作原理主要是：因为对于现场控制对象来说会不断的产生来自外界的各种干扰，因此，只有控制作用不断地进行才能够使得现场控制的对象值保持在误差允许范围内的恒定值。一旦干扰或扰动产生并且使得现场控制对象值，所谓的被调参数产生改变，那么，各种现场检测器件（如：压力传感器、流量计等）就会把这些变化记录下来并且上传给我们设计的PID控制器，改变过程变量值，通过变送器传送到PID控制器的输入端，并且对比已知的设定值，即SP值，得出到偏差值（e值），调节器会以之前已经做好的整定参数控制规律和这个得出的偏差值来发出控制信号，然后调节调节阀开度，让调节阀的开度放大或者缩小，目的是让被调参数产生变动，并且一步步趋向给定值（SP值），以达到控制的目的。它的特点有以下几个方面：（1）、控制系统的数学模型不必要太精确；（2）、它的适应能力以及灵活度都比较强；（3）、其控制其具有典型的构造，设计程序简单易懂，能够方便的进行参数调整。PID控制器的设计基础是根据其不断的控制规律进行的，把它完成数字化，并把它编写成离散型的PID算法方程，然后控制程序也是一句离散方程完成设计的。在连续的系统中，下图是典型PID闭环控制系统框图，系统的给定值为sp(t)；偏差值为e（t）；系统的输出值为c(t)；系统反馈值为pv(t)；图3-2-2-（1）连续闭环控制系统框图基于PLC的PID闭环控制系统框图如下图所示，第n次采样的数字量spn、pvn、etn、Mn分别对应的是模拟量sp(t)、pv(t)、e(t)、M(t)；在很大一部分的控制系统当中，仅仅要求P、I、D三中控制类型中的一种或两种。比如仅需要比例控制方式或比例、积分控制方式，回路的控制类型可以经过参数设置进行选择。图3-2-2-（2）PLC闭环控制系统框图4程序及组态设计4.1S7-300的简单介绍适用于中等性能控制要求的S7-300是模块化的通用型PLC。我们能够按照控制系统的具体情况和具体要求来选择适合本系统的模块，当系统的规模较大时，为了能够完成系统所需的功能，我们可以适当的添加一个或几个模块，对PLC进行扩充。S7-300具有简单的分布式机构并且其通信联网能力也非常强大，因此这使得它在运用的时候非常方便。西门子S7-300的CPU汇集了过程控制功能，主要的功能是实施使用者程序。没有必要另附所有软、硬件或者是编程，就能够设置MPI网络，若是有PROFIBUS-DP接口，则能够设置整个网络。SIMATIC S7-300 PLC具有模块化的设计构造，为了能够更好的拓展，其各个单一模块之间能够完成普遍组装合成。其系统组成主要是：（1）、CPU模块：各种各样的CPU在性能上也是有差异的，举个例子，我们常用的CPU313C-2DP这个CPU模块是汇集数字量输入和输出以及PROFIBUS-DP主/从站接口的。可连接标准的I/O设备。这里的微存储器卡主要是用于CPU的运行。（2）、负载电源模块（PS模块）：在硬件配置的时候将SIMATIC S7-300连接至交流220V的电源上。（3）、信号模块（SM模块）：用于数字量和模拟量的输入、输出。（4）、功能模块（FM模块）:用于计数以及定位操作。其可操作的模块多大32个。S7-300的编程指令集中有很多指令，差不多有350多个，常用的主要有定时指令、位指令、比较指令、整数和浮点数运算指令和计数指令等等。S7-300的编程软件有STEP7和博途（POTAL）等，在此课题中，我使用STEP7进行编程，它囊括了自动化项目的启动、执行、检测以及服务，以及所有阶段所需要的所有功能。STEP7作为SIMATIC PLC编写程序的基础软件包，它是适用于各方面自动化项目的工具，而且其作用也非常强大。在本课题的研究中，S7-300的硬件配置如下图所示:图4-1 S7-300的硬件配置4.2程序设计在编程过程中共生成7个程序块：OB1：主程序组织块；FB41：功能模块，即PID控制块；FC201：主要作用是进行数据转换，将WORD形式的数据转换成REAL形式（0-100）；FC202：其作用与FC201相反，把REAL形式的数据转换成WORD形式；DB1、DB2：它们作为FB41功能模块的背景数据块，PID控制所用到的所有参数都存放在DB1中，为了能够控制这些参数我们可以使用组态王软件，这个模块中的数据还可以控制PID的输入输出等一系列功能。DB3:用户数据存储块，基本是主程序OB1所用的存储数据，可以让组态软件进行监控。本课题所使用的程序如下：变量表（即DB3用户数据）如下图所示：图4-2 变量表主程序：程序段1:输入。首先把各个输入转换成0-100，输入信号4-20Ma,对应5530-27648，SM334通道0（PIW256：AI0）是主回路，通道1（PIW258:AI1）是干扰测量通道。程序段2：运算。两个独立的PID控制器同时运行，反作用（P值为正）调节的是流量-变频器系统的调节器，正作用（P值为负）调节的是压力-调节阀系统的调节器。运算PV，SP，MV数据为0-100.0范围程序段3：特性测量，PID全部手动程序段4：调节阀特性测量程序段5：解耦控制，本段程序用来计算解耦矩阵系数。PID0通过调节变频器进行流量调节,PID1通过调节调节阀进行压力调节。PID的P如果是负则为正作用，AI0流量，AI1压力，AO0控制变频器，AO1控制调节阀；A11=A22，A12=A21程序段6：倘若处于手动状态，取消解耦程序段7：输出，输出信号是4-20mA或2-10V，把输出变换成WORD型给AO0和A014.3组态设计通常，重新建立一个工程项目大概要以下几个步骤：（1）、创建新工程：为了能够存放和我们工程相关的文件，必须得先新建一个文件夹。（2）、硬件配置的定义以及工程变量的添加：加入工程中所需的硬件配置和工程中要用到所有的变量。（3）、绘制组态画面并对各个动画进行链接：按照工程的实质需要画出监控画面，并且使得静态画面要跟随控制对象产生动态效果。（4）、编写命令语言：庞大的操作上位控制可以通过脚本程序进行编写。（5）、配置运行系统：对运行的历史数据、用户和网络等进行设置。（6）、保存工程并运行。4.3.1组态王控制器的设备组态S7-300和组态王基本上是通过MPI接口电缆进行通信。运行组态王软件，在工程管理器中，单击新建按钮进行新建工程，如下图：图4-3-1-（a）新建组态王工程把保存路径和工程名称等进行输入，重新建立工程，如下图所示：图4-3-1-（b） 输入保存路径图4-3-1-（c） 输入工程名称在工程浏览器中，选择左面大纲项目下“设备”选项的“COM1”选项,在工程浏览器右面双击“新建”图标，运行跳出“设备配置向导”，如下图所示：图4-3-1-（d） 选择COM1选择“PLC”，“西门子”，“S7-300系列”，“MPI”。如下图所示：图4-3-1-（e） 设备配置左击“下一步”按钮，跳出“逻辑名称”窗口，名称可以随便输入。再左击“下一步”按钮，跳出“选择串口号”。为设备选择连接串口，选择COM1。完成后，左击“下一步”按钮，跳出“设备地址设置指南”，如下图所示：图4-3-1-（f） 选择串口号填写设备地址，输入“2.2”；小数点前是MPI地址（站点），小数点后是MPI设备（通讯模块或CPU）的插槽号范围0.0-126.126，建议使用通用地址2.2-126.30。通常PLC的默认地址是2，所以插槽号也是2，所以组态王的设备地址设成2.2。左击“下一步”按钮，弹出对话框“信息总结”，下图所示：图4-3-1-（g） 设置设备地址4.3.2组态王定义数据变量组态王软件的核心部分是它的数据库，为了能够以动画的形式来反映工业现场的生产状况，我们必须运用组态王的数据库为中介环节，目的是为了达到控制生产现场的要求。其数据变量定义基本上有下面若干个步骤：选择工程浏览器大纲项目“数据库下的数据词典”，双击“新建”图标，如下图所示：图4-3-2-（a） 新建数字词典跳出“变量属性”这个对话框，它能够进行数据变量的定义以及修改等操作还能够进行数据库的管理等工作。在第一个“变量名”地方填写变量的名称，像PID0_SP；在第二个“变量类型”里进行变量类型的选择，比如选择IO实数，下图所示：图4-3-2-（b） 变量属性4.3.3建立新画面在工程浏览器的靠左一面“工程目录显示区”中点击“画面”这个项目，在靠右一面的视图中双击“新建”，跳出“新画面”这个对话框。如下所示：图4-3-3-（a） 建立新画面最终画面如下图所示： 图4-3-3-（b）组态王监控画面4.4小结在本部分主要介绍了西门子S7-300和组态王的相关知识，并且在这基础之上，介绍本课题相关的程序以及组态设计。5操作调试过程及结果分析5.1操作调试过程（1）、在A3000高级过程控制系统设备上，打开手动调节阀QV-103、QV-105、QV-115、QV-116水闸，其他的阀门关闭。注意一定要合上阀门QV-102、XV102、QV-111、QV-114。（2）、按照表2-4进行接线：把水泵出口压力，代号PT-101和AI0相连；流量计FT-101输出连接到AI1上；调节阀接AO0；变频器接AO1。注意：由于控制器编程不一样，所以具体的执行器和传感器的连接通道也是不一样的。针对有些线完全接好的系统，像DCS系统，在编写程序的时候一定要按照其接线的方法。（3）、给设备通电，并打开所有开关，保证调节阀和变频器都通电。 （4）、打开变频器，先做一个压力变送器和调节阀单回路实验，然后等到系统达到平衡状态，记下此时的P参数和I参数。 （5）、打开并放大调节阀开度，做流量计和变频器单回路实验，然后等到系统达到平衡状态，记下此时的P参数和I参数。 （6）、引入解耦控制。从新将程序下载到PLC中，并从新打开运行组态王。 （7）、在组态王运行画面上，流量-变频器控制和压力-调节阀控制都放成手动，变频器和调节阀的输出都调成50，等待系统平衡时记下流量计的值A1、压力变送器的值A2。 （8）、把记录下的A1值、A2值设定为系统给定值，然后将上一步放成的手动改为自动。 （9）、这个时候的系统应该是达到平衡状态的，然后改变SP值、PID值，直到系统重新达到平衡状态。5.2结果及分析5.2.1调试过程及调试结果1、当流量给